lecture (01) introduction to the microprocessor and...

21
By: Dr. Ahmed ElShafee Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors ١ Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and Computer A HISTORICAL BACKGROUND The Microprocessor Called the CPU (central processing unit). The controlling element in a computer system. Controls memory and I/O through connections called buses. Memory and I/O controlled via instructions stored in memory, executed by the microprocessor. Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors ٢

Upload: dodiep

Post on 15-Jun-2018

219 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

By:

Dr. Ahmed ElShafee

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors١

Lecture (01)Introduction to the Microprocessor and 

Computer

A HISTORICAL BACKGROUND

The Microprocessor

• Called the CPU (central processing unit).

• The controlling element in a computer system.

• Controls memory and I/O through connections called buses.

• Memory and I/O controlled via instructions stored in memory, executed by the microprocessor.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٢

Page 2: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

The Microprocessor Age

• World’s first microprocessor the Intel 4004.

• A 4‐bit microprocessor‐programmable

• controller on a chip.

• 4‐bit‐wide memory locations.

– a bit is a binary digit with a value of one or zero

– 4‐bit‐wide memory location often called a nibble

• The 4004 instruction set contained 45 instructions.

• Fabricated with then P‐channel MOSFET technology.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٣

• Executed instructions at slow rate 50 KIPs (kilo‐instructions per second).

• 4‐bit microprocessor debuted in early game systems and small control systems.

• Main problems with early microprocessor were speed, word width, and memory size.

• Evolution of 4‐bit microprocessor ended when Intel released the 4040, an updated 4004.

• operated at a higher speed; lacked improvements in word width and memory size.

• still survives in low‐end applications such as microwave ovens and small control systems

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٤

Page 3: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

• Intel released 8008,it extended 8‐bit version of 4004 microprocessor

• Addressed expanded memory of 16K bytes.

• Contained additional instructions, 48 total.

• Somewhat small memory size, slow speed, and instruction set limited 8008 usefulness.

• Intel introduced 8080 microprocessor, first of the modern 8‐bit microprocessors .

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٥

What Was Special about the 8080?• 8080 addressed four times more memory.

– 64K bytes vs 16K bytes for 8008

• Executed additional instructions; 10x faster than 8008.

– addition taking 20 μs on an 8008‐based system, it required only 2.0 μs on an 8080‐based system

• TTL (transistor‐transistor logic) compatible, this made Interfacing much easier and less expensive.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٦

Page 4: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

The 8085 Microprocessor

• Intel Corporation introduced an updated version of the 8080—the 8085.

• Last 8‐bit, general‐purpose microprocessor developed by Intel.

• Slightly more advanced than 8080; executed software at an even higher speed.

– 769,230 instructions per second vs 500,000 per second on the 8080.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٧

• Main advantages of 8085 were its internal clock generator, system controller, and higher clock frequency.

• Intel has sold over 100 million of the 8085.

– its most successful 8‐bit, general‐purpose microprocessor.

– also manufactured by many other companies, meaning over 200 million in existence

• Applications that contain the 8085 will likely continue to be popular.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٨

Page 5: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

The Modern Microprocessor

• Intel released the 8086; a year or so later, it released the 8088.

• Both devices are 16‐bit microprocessors.

– executed instructions in as little as 400 ns (2.5 millions of instructions per second)

– major improvement over execution speed of 8085

• 8086 & 8088 addressed 1M byte of memory.

– 16 times more memory than the 8085.

• Higher speed and larger memory size allowed 8086 & 8088 to replace smaller minicomputers in many applications.

• Another feature was a 4 or 6‐byte instruction cache or queue that prefetched instructions before they were executed.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٩

• Improvements to the instruction set included multiply and divide instructions.

– missing on earlier microprocessors

• Number of instructions increased.

– from 45 on the 4004, to 246 on the 8085

– over 20,000 variations on the 8086 & 8088

• These microprocessors are called CISC (complex instruction set computers) because of the number and complexity of instructions.

– additional instructions eased task of developing efficient and sophisticated applications

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors١٠

Page 6: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

• 16‐bit microprocessor also provided more internal register storage space.

– additional registers allowed software to be written more efficiently.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors١١

The 80286 Microprocessor

• Intel introduced the 80286 in 1983.

– an updated 8086

• Almost identical to the 8086/8088.

– addressed 16M‐byte memory system instead of a 1M‐byte system.

• Instruction set almost identical except for a few additional instructions.

– managed the extra 15M bytes of memory

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors١٢

Page 7: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

• 80286 clock speed increased in 8.0 Mhz version.

– executed some instructions in as little as 250 ns (4.0 MIPs)

• Some changes to internal execution of instructions led to 8X increase in speed for many instructions.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors١٣

The 32‐Bit Microprocessor

• Applications demanded faster microprocessor speeds, more memory, and wider data paths.

• Led to the 80386 in 1986 by Intel.

– major overhaul of 16‐bit 8086–80286 architecture

• Intel’s first practical microprocessor to contain a 32‐bit data bus and 32‐bit memory address.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors١٤

Page 8: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

• Through 32‐bit buses, 80386 addressed up to 4G bytes of memory.

• 80386SX addressed 16M bytes of memory through a 16‐bit data and 24‐bit address bus.

• 80386SL/80386SLC addressed 32M bytes memory via 16‐bit data, 25‐bit address bus.

• 80386SLC contained an internal cache to process data at even higher rates.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors١٥

• Intel released 80386EX in 1995.

• Called an embedded PC.

– contains all components of the AT class computer on a single integrated circuit.

• 24 lines for input/output data.

• 26‐bit address bus; 16‐bit data bus.

• DRAM refresh controller.

• Programmable chip selection logic

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors١٦

Page 9: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

The 80486 Microprocessor

• In 1989 Intel released the 80486.

• 80386‐like microprocessor.

• 8K‐byte cache memory system.

• Internal structure of 80486 modified so about half of its instructions executed in one clock instead of two clocks.

• Available in a 50 MHz version, about half of instructions executed in 25 ns (50 MIPs)

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors١٧

The Pentium Microprocessor

• Introduced 1993, Pentium was similar to 80386 and 80486 microprocessors.

• Originally labeled the P5 or 80586.

• Introductory versions operated with a clocking frequency of 60 MHz & 66 MHz, and a speed of 110 MIPs.

• Cache size was increased to 16K bytes from the 8K cache found in 80486.

• 8K‐byte instruction cache and data cache.

• Memory system up to 4G bytes.

• Data bus width increased to a full 64 bits.

• Wider data bus width accommodated double precisionfloating‐point numbers used in high speed, vector‐generated graphical displays.Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors١٨

Page 10: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors١٩

Pentium Pro Processor

• A recent entry, formerly named the P6.

• 21 million transistors, integer units, floating point unit to increase the performance of  software.

• Clock frequency 150 and 166 MHz

• Internal 16K level‐one (L1) cache.

– 8K data, 8K for instructions

– Pentium Pro contains 256K level‐two (L2) cache

• Pentium Pro uses three execution engines, to execute up to three instructions at a time.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٢٠

Page 11: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

Pentium II and Pentium XeonMicroprocessors• Pentium II, released 1997, represents new direction for Intel.

• Intel has placed Pentium II on a small circuit board, instead of being an integrated circuit.

• Newer Pentium II uses a 100 MHz bus speed.

• Higher speed memory bus requires 8 ns SDRAM.

• Intel announced new version of Pentium II called Xeon .

– Designed for high‐end workstation and server applications

• Xeon available with 32K L1 cache and L2 cache size of 512K, 1M, or 2M bytes.

• Newer product represents strategy change.

– Intel produces a professional and home/business version of the Pentium IIDr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٢١

Pentium III Microprocessor

• Faster than Pentium II.

• Pentium III available with clock frequencies up to 1 GHz.

• Slot 1 version contains a 512K cache; 

• flip‐chip version contains 256K cache.

• Flip‐chip cache runs at CPU clock speed; 

• Slot 1 cache version runs at one‐half CPU clock speed.

• Both versions use 100 MHz memory bus.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٢٢

Page 12: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

Pentium 4 and Core2Microprocessors• Pentium 4 first made available in late 2000.

– most recent version of Pentium called Core2

– uses Intel P6 architecture.

• Pentium 4 available to 3.2 GHz and faster.

– supporting chip sets use DDR SDRAM in place of SDRAM technology.

• Core2 is available at speeds of up to 3 GHz.

• A likely change is a shift from aluminum to copper interconnections inside the microprocessor.

• Copper is a better conductor.

– should allow increased clock frequencies.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٢٣

• Biggest advancement is inclusion of multiple cores.

– each core executes a separate task in a program

• Increases speed of execution if program is written to take advantage of multiple cores.

– called multithreaded applications (A multithreaded process with two threads executing in time clearly showing that the threads execute separately and execute mutually exclusively in time.)

• Intel manufactures dual and quad core versions; number of cores will likely increase to eight or even sixteen.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٢٤

Page 13: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

• In 2002, Intel released a new architecture 64 bits in width with a 128‐bit data bus.

• Named Itanium.

• The Itanium architecture allows greater parallelism than traditional architectures.

• 128 general‐purpose integer and 128 floating point registers; 64 predicate registers.

• Many execution units to ensure enough hardware resources for software.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٢٥

THE MICROPROCESSORBASEDPERSONAL COMPUTER SYSTEM• Computers have undergone many changes recently.

• Machines that once filled large areas reduced to small desktop computer systems because of the microprocessor.

• Figure shows block diagram of the personal computer.

• Diagram composed of three blocks interconnected by buses.

• bus is the set of common connections that carry the same type of information.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٢٦

Page 14: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٢٧

The Memory and I/O System

• Memory structure of all Intel‐based personal computers similar.

• Figure illustrates memory map of a personal computer system.

• This map applies to any IBM personal computer.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٢٨

Page 15: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٢٩

transient program area

• The memory system is divided into three main

• parts:

1. TPA (transient program area).

2. System area.

3. XMS (extended memory system), the type of microprocessor in your computer determines whether an extended memory system exists.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٣٠

Page 16: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

The TPA (conventional memory)

• The transient program area (TPA) holds the DOS (disk operating system) operating system; other programs that control the computer system.

– Stores any currently active or inactive DOS application programs.

– Length of the TPA is 640K bytes.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٣١

The System Area (upper memory area)

• Smaller than the TPA; just as important.

• The system area contains programs on read only (ROM), and areas of read/write (RAM) memory for data storage.

• upper memory area (UMA) refers to memory between the addresses of 640 KB and 1024 KB (0xA0000–0xFFFFF) in an IBM PC or compatible. 

• IBM reserved the uppermost 384 KB of the 8088 CPU's 1024 KB address space for ROM, RAM on peripherals, and memory‐mapped input/output. 

• For example, the monochrome video memory area runs from 704 to 736 KB (0xB0000–B7FFF).

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٣٢

Page 17: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

I/O Space

• I/O devices allow the microprocessor to communicate with the outside world.

• I/O port address is similar to a memory address, except that instead of addressing memory, it addresses an I/O device.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٣٣

The Microprocessor

• Called the CPU (central processing unit).

• The controlling element in a computer system.

• Controls memory and I/O through connections called buses.

• Memory and I/O controlled via instructions stored in memory, executed by the microprocessor.

• Microprocessor performs three main tasks:

– data transfer between itself and the memory or I/O systems.

– simple arithmetic and logic operations.

– program flow via simple decisions.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٣٤

Page 18: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

• Power of the microprocessor is capability to execute billions of millions of instructions per second from a program or software (group of instructions) stored in the memory system.

• Another powerful feature is the ability to make simple decisions based upon numerical facts.

– a microprocessor can decide if a number is zero, positive, and so forth

• These decisions allow the microprocessor to modify the program flow, so programs appear to think through these simple decisions.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٣٥

Buses

• A common group of wires that interconnect components in a computer system.

• Transfer address, data, & control information between microprocessor, memory and I/O.

• Three buses exist for this transfer of information: address, data, and control.

• Figure shows how these buses interconnect various system components.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٣٦

Page 19: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٣٧

• The address bus requests a memory location from the memory or an I/O location from the I/O devices.

• The data bus transfers information between the microprocessor and its memory and I/O address space.

• Data transfers vary in size, from 8 bits wide to 64 bits wide in various members of the Intel microprocessor family.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٣٨

Page 20: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

• Control bus lines select and cause memory or I/O to perform a read or write operation.

• In most computer systems, there are four control bus connections:

• MRDC (memory read control)

• MWTC (memory write control)

• IORC (I/O read control)

• IOWC (I/O write control).

• overbar indicates the control signal is activelow.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٣٩

• These control signal names are slightly different in various versions of the microprocessor.

• The microprocessor reads a memory location by sending the memory an address through the address bus.

• Next, it sends a memory read control signal to cause the memory to read data.

• Finally data read from memory are passed to the microprocessor through the data bus.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٤٠

Page 21: Lecture (01) Introduction to the Microprocessor and …draelshafee.net/Spring2017/microprocessors---lecture-01.pdf · 2017-02-21 · Introduction to the Microprocessor and ... –major

Thanks,..

See you next week (ISA),…

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2017, Microprocessors٤١